Biomasse

Biomasse = die gesamte durch Lebewesen anfallende organische Substanz, z.B. in einem See

Bislang sind die Pflanzen die einzigen Lebewesen, die einen substantiellen Teil der Sonnenenergie ausnutzen können. Aus diesem Grunde gibt es Vorhaben, durch entsprechende Züchtungen, den Wirkungsgrad, mit dem Sonnenenergie in Biomasse umgewandelt wird, zu erhöhen. Die Ausnutzung der Lichtenergie errechnet sich, indem man die durch Photosynthese entstehende pflanzliche Trockenmasse, der sogenannten (trockenen) Biomasse, als polymere Kohlenhydrate auffasst. Für eine Abschätzung ist dies ausreichend, da das Pflanzenmaterial bis zu über 90 % aus C, H und O besteht (5-10 % sind Stickstoff und Mineralstoffe). 1 g trockener Biomasse entspricht 17 kJ. Zur Synthese von 1 kg (trockener) Biomasse benötigen höhere Pflanzen (Kulturpflanzen) 300 – 800 kg Wasser, das durch Wurzeln aufgenommen und aus den Blättern verdunstet wird, wozu Wärme (Sonnenstrahlung) erforderlich ist. Durch die Photosynthese aller Land- und Wasserpflanzen werden pro Jahr etwa     1,7 x 10¹¹ t Biomasse aufgebaut. Der Energieinhalt der Biomasse ist 3 x 10²¹ J und entspricht etwa dem 10-fachen des derzeitigen Weltenergieverbrauchs pro Jahr. Aus diesem Grunde ist es verständlich, wenn gegenwärtig in vielen Ländern untersucht wird, inwieweit die Photosynthese als Energiegewinnungsprozess einen Beitrag zur Energieversorgung leisten kann.

• Historischer Aspekt
• Energiefarmen (energy farming)
• Wirkungsgrad
• Nutzung der Biomasse
• Pflanzliche Substanzbildung
• Verfahren zur energetischen Nutzung von Biomasse
• Wirtschaftlichkeit 
• Menge pflanzlicher Nahrungsmittel
• Literatur

Historischer Aspekt
In den Anfängen bestand die Atmosphäre unseres Planeten aus Methan(CH₄), Wasserdampf(H₂O) und Ammoniak(NH₃). Die energiereiche ultraviolette Strahlung im Sonnenlicht zerbrach diese Gasverbindungen, indem sie die Wasserstoffatome aus diesen Verbindungen absprengte. Der Wasserstoff, wesentlich leichter als die anderen Elemente, verflüchtigte sich ins Weltall, zurück blieben in der Erdatmosphäre Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff. Kohlenstoff und Sauerstoff verbanden sich zu Kohlendioxid(CO₂) und der Stickstoff blieb alleine. Diese CO₂-Atmosphäre ist heute noch auf unseren Nachbarplaneten Venus vorhanden.
Algen im Urmeer und später Pflanzen am Land haben mit Hilfe der Sonne das Kohlendioxid der Luft in seine Bestandteile Kohlenstoff und Sauerstoff zerlegt. Dabei haben die Pflanzen den Kohlenstoff zum Aufbau ihrer Körpersubstanz benutzt und den freigewordenen Sauerstoff in die Atmosphäre zurück gegeben. Abgestorbene Pflanzen verrotten und oxidieren wieder zu Kohlendioxid. Ein geschlossener Kreislauf zwischen Pflanzen und Kohlendioxid wäre möglich, ohne dass sich wesentliche Mengen Sauerstoff in der Atmosphäre ansammeln. Das Kohlendioxid der Atmosphäre ging zur Neige, weil dem Kreislauf Kohlenstoff entzogen wurde. Abgestorbene pflanzliche und tierische Meeresorganismen sanken auf den Meeresboden ab, wurden von Schlamm zugedeckt, luftdicht abgeschlossen und von Bakterien in Öl und Gas umgewandelt. Kohle ist aus untergegangenen Wäldern entstanden. Das Ergebnis: ausgelagerter Kohlenstoff in Öl-, Gas und Kohlelagern auf der einen Seite und auf der anderen ein Lufthülle mit 20 % Sauerstoffgehalt.
Bereits seit Millionen von Jahren dreht sich der Kreislauf, aus Sonne und CO₂ wird Biomasse, aus Biomasse wird Energie und CO₂, aus Sonne und CO₂ wird Biomasse ...

Wirkungsgrad
Global betrachtet ist der Wirkungsgrad beim Aufbau von Biomasse durch Photosynthese nicht groß. Ein Grund hierfür ist unter anderem die Tatsache, dass der CO₂-Gehalt in der Atmosphäre mit 0,03 Vol-% wesentlich geringer ist, als er für einen optimalen Photosyntheseprozess notwendig wäre. Auf der Landfläche wird nur 0,3 %, in den Meeren nur 0,07 % der Strahlungsenergie in chemisch gebundene Energie (in Form von Biomasse) übergeführt. Für die gesamte Erde ergibt sich ein Wirkungsgrad von 0,12 %.

Pflanzliche Substanzbildung
Die Fähigkeit einzelner Ökosysteme zur pflanzlichen Substanzbildung ist sehr unterschiedlich ausgeprägt.
Ein typischer Wert für die pflanzliche Substanzbildung an (trockener) Biomasse:
Tropischer Wald 2,0 kg/m² pro Jahr
(bei einer Gesamtfläche auf der Erde von 20 x 10⁶ km² sind dies 40 x 10⁹t pro Jahr).
Kein technischer Produktionsprozess auf der Erde erzielt auch nur annähernd vergleichbare Größenordnungen.

Durch geeignete Kulturpflanzen und moderne Landwirtschaft (z.B. gute Wasserversorgung und Düngung) kann die Effektivität für pflanzliche Substanzbildung erhöht werden. In gemäßigten Klimazonen kann zum Beispiel – je nach Pflanzenart – pro Quadratmeter und Tag folgende pflanzliche Substanzbildung erzielt werden: für Getreide um 20 g, für Zuckerrüben 28 bis 31 g, für Mais (in den USA) 50 g. Bei Mais wird 1,3 % der Strahlungsenergie in chemisch gebundene Energie übergeführt, das heißt, der Wirkungsgrad beträgt hier immerhin 1,3 %. 

Dabei ist aber zu bedenken, dass intensive Landwirtschaft ein technisch aufwendiger und energieintensiver Prozess ist. So zum Beispiel ist nur Erzeugung einer Biomasse mit dem Energieäquivalent von 6 J bis 9 J in den entwickelten Agrarländern des Westens bereits 1 J erforderlich. Bezogen auf die Maiserzeugung betrug zum Beispiel in den USA das Verhältnis von aufgewendeter Energie zu landwirtschaftlich erzeugter Energie im Jahre 1940 etwa 1 : 4, dagegen stieg es bis zum Jahre 1970 auf 1 : 2,8 an. Eine ähnliche Entwicklung ist auch bei anderen Produkten wie zum Beispiel Sojabohnen und Kartoffeln festzustellen.


Wirtschaftlichkeit
Zu den Pflanzen, die die Sonnenenergie mit einem relativ hohen Wirkungsgrad in Biomasse umzuwandeln vermögen, gehören zum Beispiel rasch wachsende Baumarten (Pappeln) und Zuckerrohr. Es gibt Planungen, durch Anbau geeigneter Pflanzen im Großen (energy farming), Biomasse zu erzeugen, die dann als Energierohstoff oder als Rohstoff für Kunststoffprodukte verwendet werden kann. Die forcierte Erzeugung von Biomasse alleine unter energetischen Gesichtspunkten hat sich bisher im Allgemeinen noch nicht als wirtschaftlich erwiesen. Der große Nachteil der nachwachsenden Biomasse im Vergleich zu den fossilen Energierohstoffen besteht im Wesentlichen in dem geringen spezifischen Energieinhalt (wegen des relativ hohen Wasser- und Sauerstoffgehalts der Pflanzen) sowie in dem großen Flächenbedarf bei Erzeugung von Biomasse (wegen des relativ geringen Ertrages pro Flächeneinheit). Dies führt zu einem erheblichen Sammel- und Transportaufwand.
Diese Verfahren haben sich bisher nicht als wirtschaftlich erwiesen. Außerdem ist einzuwenden, dass die gleichen Flächen für die Produktion von Nahrungsmitteln wohl dringender benötigt werden als zur Erzeugung von Energieträgern.

Energiefarmen (energy farming)
Die Einrichtung spezieller Energiefarmen (energy farming) scheint aus den aufgeführten Gründen – insbesondere für die dichtbesiedelten Industriestaaten – wenig aussichtsreich zu sein. Die energetische Nutzung von Biomasse dürfte dagegen dort zweckmäßig sein, wo aus anderen Gründen große Mengen an Biomasse anfallen. Dies gilt zum Beispiel für die Müllbeseitigung in Ballungszentren oder für die Nutzung von Abfällen aus land- und forstwirtschaftlicher Produktion. Insbesondere scheint die energetische Nutzung von land- und forstwirtschaftlichen Abfällen in Entwicklungsländern mit fehlender oder geringer Infrastruktur aussichtsreich zu sein.

Nutzung der Biomasse

1. KONVENTIONELL
   Brennholz
   Holzarten haben aufgrund ihres spezifischen Gewichtes verschiedene Heizwerte. Dabei gilt: Je härter, dichter und schwerer das Holz, desto höher ist der Brennwert. Demzufolge ist Laubholz dem Nadelholz vorzuziehen.
   
   
2. NEU
   Hackschnitzel
   
   Verarbeitung der Baumstämme:
   a) Entrinden
   b) Zerteilung in grobes und feines Hackgut mittels Hackmaschinen
   Hackschnitzel werden aus einem Energiewald gewonnen.
   
   Besonders geeignete Flächen dafür sind:
   - landwirtschaftliche Grenzertragsböden
   - Rutschungshänge
   - Böschungen
   - überflutungsgefährdete Flächen
   Geeignet sind schnellwüchsige Bäume wie Weiden, Pappeln oder Erlen. 1 ha Energiewald kann zwei Einfamilienhäuser versorgen. Er liefert 
   10 t Trockensubstanz pro ha, das entspricht dem Heizwert von 3 000 l Heizöl.
   
   Hackschnitzelhausanlage
   Hackschnitzelheizung nur für den Hausgebrauch
   
    Hackschnitzelblockheizwerk am Beispiel Kautzen
   Zusammenschluss von 23 Landwirten. Durchforstungsrückstände werden als Energiequelle genutzt. Es entstand ein Fernheizsystem, das durch die Verbrennung von Hackschnitzel umweltfreundliche Wärmeversorgung von 60 Haushalten garantiert (Blockheizwerk). Bei der Versorgung von 60 Haushalten stößt die Anlage nicht mehr Schadstoffe aus, als ein einzelner mit Festbrennstoffen beheizter privater Rauchfang.
   
   Rindenheizwerk
   Die Rinde der Baumstämme wird zu Rindenbriketts gepresst und als Heizstoff verwendet. Der Heizwert entspricht dem der Braunkohle. 
   
   Strohheizanlage
   Etwa 20 % des Getreidestrohs werden weder als Einstreu noch zur Bodenverbesserung genutzt. Dieses „Überschuss-Stroh“ könnte zur Energiegewinnung verwendet werden. Jedoch können bei schlechten Anlagen erhebliche Emissionen entstehen.
   
   Biogas
   Biogas besteht überwiegend aus Methan und fällt vor allem in Kläranlagen und Deponien an, kann jedoch auch aus tierischen Exkrementen gewonnen werden. Biogas kann in Blockheizwerken beinahe vollständig verbrannt werden und die Abwärme zu Heizzwecken genutzt werden.
   Wirkungsgrad: 90 %
   

Beispiele zur Nutzung von Biomasseanlagen
In vielen kleineren Gemeinden wurden bereits Projekte realisiert, in denen man Biomasse für Heizzwecke verwendet.
In Pfarrwerfen in Salzburg wurde eine Biomasseanlage gebaut, die Holzabfälle als Rohstoff zur Stromerzeugung verwendet. Die ganze Gemeinde kann mit Strom versorgt werden.
In Bockfließ im niederösterreichischen Marchfeld wird Stroh zur Stromgewinnung verwendet.
In Wildon wurde das erste steirische Heizwerk, das mit Holzabfällen betrieben wird, errichtet. Bereits 75 Projekte sind in der Steiermark gefolgt. In Wildon wird der gesamte Ort zu 70 % mit Energie aus Biomasse versorgt. Im Winter konnte die Schadstoffmenge um 90 % gesenkt werden. Im ehemaligen kalorischen Kraftwerk St. Andrä in Kärnten, das früher auf Braunkohlenbasis arbeitete, wird versuchsweise aus Holzabfällen Fernwärme erzeugt. Gelingt das Experiment, könnte ein zukunftsweisender Weg für alle österreichischen Wärmekraftwerke vorgezeigt werden.

Verfahren zur energetischen Nutzung von Biomasse

1. thermische Verfahren
2. chemische Verfahren
3. biologische Verfahren

1. Unter den thermischen Verfahren  ist die direkte Verbrennung von Biomasse (z.B. Holz, Stroh) das älteste von Menschen angewandte Verfahren zur Energiegewinnung. Seit einiger Zeit werden in Ballungszentren hochentwickelter Industriestaaten vielfach Müllverbrennungsanlagen zur Beseitigung des Abfalls eingesetzt; dabei kann die freiwerdende Energie genutzt werden. Die technische Nutzung durch direkte Verbrennung von Biomasse ist nur sinnvoll, wenn ein kontinuierlicher Energiebedarf beziehungsweise Anfall von Biomasse vorhanden ist. Sind diese Voraussetzungen nicht erfüllt, ist es bisweilen wünschenswert, Biomasse in speicherfähige Energieträger umzuwandeln. Dabei wird Biomasse in Pyrolyseanlagen in Öle oder brennbare Gase umgewandelt.
2. Ein in den USA entwickeltes chemisches Verfahren erzeugt aus Biomasse – unter Einsatz von Versprödungschemikalien – einen trockenen, feinkörnigen Brennstoff (Korngröße < 0,8 mm), der lagerfähig ist und zum Beispiel in Kohlestaubfeuerungsanlagen eingesetzt werden kann.
3. Die beiden wichtigsten biologischen Verfahren sind
   - die Gewinnung von Biogas
   - die Gewinnung von Äthanol aus Biomasse (biologischen Abfallstoffen).

Biogas ist ein stark methanhaltiges Gas, das bei der anaeroben Zersetzung (Fäulnisvorgang unter Luftabschluss) gebildet wird. Als biologische Abfallstoffe kommen zum Beispiel menschliche oder tierische Exkremente sowie pflanzliche Abfallstoffe (Gras, Stroh usw.) in Frage; außerdem wird beim Fäulnisvorgang Wasser benötigt. Für eine optimale anaerobe Zersetzung sollte das Verhältnis Kohlenstoffgehalt: Stickstoffgehalt der eingesetzten Abfallstoffe rund   25 : 1 betragen. (Exkremente haben einen relativ hohen Stickstoffgehalt; pflanzliche Abfallstoffe haben dagegen einen relativ hohen Kohlenstoffgehalt).
Der Abbau der Stoffe (Faulzeit) benötigt ca. 15 bis 25 Tage; die Temperatur sollte zwischen 30 °C und 40 °C liegen. In den Biogasanlagen findet der Abbau durch Mikroorganismen statt.
Der Heizwert des Biogases beträgt rund 20 MJ/m³. Wegen der erforderlichen Temperaturen sind die Bedingungen für den Einsatz von Biogasanlagen in Entwicklungsländern (zB Pakistan, Indien, Bangladesch, Indonesien, VR China) mit relativ hohen mittleren Jahrestemperaturen und fehlender Infrastruktur zweckmäßig.

Alkohole haben als flüssige Energieträger in letzter Zeit zunehmend Beachtung gefunden. Die Herstellung von Alkohol für industrielle Zwecke durch chemische Synthese – auf der Basis petrochemischer Grundstoffe – ist derzeit im allgemeinen am günstigsten. Trotzdem besteht an der Weiterentwicklung der biologischen Alkoholgewinnung auf der Basis von Biomasse neuerdings Interesse.
Ausgangsprodukte der Äthanolgewinnung sind zuckerhaltige-, stärkehaltige- oder cellulosehaltige Substrakte. Bei der alkoholischen Gärung werden beispielsweise zuckerhaltige Lösungen mit bestimmten Hefen bei 30 – 40 °C vergoren, jedoch lassen sich nur zuckerhaltige Substrate unmittelbar vergären; die übrigen Substrate müssen erst „aufgeschlossen“ werden. Beispielsweise wird in Brasilien Zuckerrohr für die Äthanolproduktion eingesetzt. Dabei wird Äthanol in einer Mischung aus etwa 80 % Benzin und 20 % Äthanol als Treibstoff eingesetzt, was relativ problemlos möglich ist.

Literatur

DERFLINGER, Manfred u.a.: 1997. – Vernetzungen/ Wirtschaftsgeografie. Erneuerbare Energien. Linz, Rudolf  Trauner Verlag. S. 57-58

Technisches Büro für Energietechnik. 1991. – Hackgutheizung

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	Autor: Silvia Bachinger  Pädagogischen Akademie der Diözese Linz Layout. Maria Astleithner Letzte Aktualisierung:   15 Sep 2000
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